第十五章：航空航天应用

锂离子电池和先进电池系统的最后一个领域是航空航天工业。ABSL、Quallion、Saft和三菱电机等公司已经花费多年时间开发用于轨道卫星和其他天基应用的产品。在2010年代初发生的电池行业整合期间，铅酸电池制造商Enersys收购了Quallion和ABSL，以便专注于一次和二次锂离子电池的军事和航空航天市场。

美国国家航空航天局（NASA）也一直在与几家电池制造商合作开发能够在具有挑战性的天基应用中生存下来的电池系统，从先进的机器人和空间站电源到月球和火星探测车。

直到21世纪初，卫星和天基应用中使用的主要电池类型要么是镍镉（NiCd），要么是镍氢（NiMh），直到20世纪90年代。直到21世纪初，锂离子电池才开始被引入天基应用。如今，政府、私人和商业空间应用中使用的98%以上的电池都是锂离子电池（Borthomieu,2014）。航空航天界转向锂离子电池的最大原因非常明确——更高的能量密度。在这些应用中，管理最终产品的重量是至关重要的，因此通过集成锂离子电池，工程师们能够在减少重量的同时增加飞机上的能量。

在卫星应用中，重量与成本之间存在着直接的关系。所以单位越轻，送入轨道的成本就越低。通常有三种不同类型的卫星应用，每一种都有不同的电池要求。首先是近地轨道卫星。这需要大约60分钟的放电周期和30分钟的充电周期，随着卫星绕地球运行，充电周期每天要重复多次。但它们也有长达15年的使用寿命要求。由于90分钟的周期相对较短，它们每年将进行大约5500次循环，但由于它们使用低放电深度，通常从10%到40%的充电状态（SOC）摆动，它们只是“部分”循环，这使得锂离子电池能够在这些应用中成功运行（Borthomieu,2014）。

第二种卫星应用是地球静止轨道卫星。这些卫星相对于地球上的固定位置停留在一个点上，因此有一个24小时的周期，因此放电率和充电率都很低，除了卫星与太阳发生日食的时期，大约是72分钟的时间。有了这些长充电/放电周期，电池在卫星的15到20年寿命中只需要1500到2000次循环（Borthomieu,2014）。

第三个也是最后一个电池卫星应用是高地球轨道和中地球轨道卫星。这些应用中的电池将要求与GEO类别的电池大致相同的性能要求，但将要求寿命高达约2500次循环，运行时间长达15年左右（Borthomieu,2014）。卫星电池的独特之处在于以下几点。首先是需要满足非常严格的冲击和振动要求。

由于这些应用必须通过火箭发射到太空中，它们必须能够在这种非常具有挑战性的冲击和振动剖面中生存下来。除此之外，还需要确保电池能够抵抗太阳辐射，因为太阳辐射会对电子产品和材料性能产生负面影响。最后,这些电池必须坚固耐用，“防弹”。我的意思是，一旦它们投入使用，就不可能修复、修理或更换。在离地球23000英里的高空，没有一个当地的电池维修技术人员可以进行维修！

最后，关于卫星电池，电池的设计和认证必须符合两套标准：欧洲航天局和美国宇航局的标准和认证。对于锂离子电池，重要的是要按照ISOWD17546标准进行测试。其余的表征和测试要求与所有其他锂离子电池非常相似，将包括电气性能和表征测试，滥用测试以及日历和循环寿命测试。

商用航空也在朝着锂离子电池更大集成化的方向发展。其中最近一次被高度宣传的是采用双锂离子电池为主动力单元和辅助动力单元提供动力的波音787梦幻客机。波音公司可能是第一家将锂离子电池集成到其最新商用飞机上的商业公司，但并非没有事故。在波士顿和日本的一架飞机电池起火后，整个梦幻客机停飞了近3个月，同时对电池故障进行了评估。在此期间，波音工程师对电池系统进行了一系列更新，以防止故障扩散到电池之外（波音公司，2013年）（图27）。但波音公司并不是唯一使用锂离子电池的飞机。事实上，很多军用航空系统都设计了冗余备用电池系统。通常主控制可能是液压的，但会有一个冗余的电气备份系统。对于所有类型的航空冗余，这是锂离子电池非常有价值的设计方面。在为这些类型的应用设计电池时，必须包含两倍甚至三倍的冗余级别。这将出现在几个领域，首先是串联和并联电池的组合。第二个是在电子领域，它将有多个处理器和完全冗余的电路。但第三个是包含电池本身作为机械控制系统的备份。

图27波音787锂离子电池。